е пары зависимостей в природе образуются как бы сами собой, зачастую совершенно случайно. С одним примером мы уже знакомы: каменная глыба, если незначительно сдвинуть ее, падает с обрыва, совершая при этом огромную разрушительную работу, и даже легкий порыв ветра может произвести небольшое начальное перемещение глыбы, столкнув ее с обрыва.
В технике искусственно объединяют два разных независимых физических процесса, подбирают эти пары «пересекающихся» процессов таким образом, чтобы один из них сильно влиял на другой, чтобы можно было получить эффект усиления. Лучшим примером является усилитель электрических сигналов, до которого нам теперь остался уже буквально один шаг.
Т-126. Распространенный тип усилителей электрических сигналов — слабый сигнал меняет сопротивление цепи, в которой действует мощный источник энергии. Чтобы усилить электрический сигнал, в разных типах усилителей объединяют парами самые разные физические процессы. В наиболее распространенных усилительных приборах — транзисторах и электронных лампах — используют такой принцип: слабый усиливаемый сигнал тем или иным способом меняет сопротивление цепи, в которой внешний источник энергии, например аккумулятор или гальванический элемент, создает постоянный ток. Под действием меняющегося сопротивления постоянный ток перестает быть постоянным, он меняется, следуя за всеми изменениями слабого сигнала. Так за счет энергии внешнего источника создается мощный сигнал, точная копия слабого.
Реализовать этот принцип можно даже в нашей установке с реостатом, для этого нужно соорудить для подвижного контакта реостата систему электрического привода. Скажем, приводить в движение подвижный контакт миниатюрным электромоторчиком или электромагнитом, энергию которым давал бы сам усиливаемый сигнал. В электронных усилителях этот принцип реализуют так: сопротивление участка цепи меняют, «впрыскивая» в него то или иное количество свободных электрических зарядов (Р-76;3,4).
Р-76;3,4
На само это «впрыскивание» тратится сравнительно небольшая мощность, а сопротивление меняется так, что происходит значительное изменение мощности, выделяемой на данном участке цепи.
Если вы помните, сама характеристика «сопротивление» говорит о том, легко или трудно генератору создавать ток в проводнике (Т-23). Чем больше в проводнике свободных зарядов, чем они подвижнее, тем более массовым будет упорядоченное движение зарядов под действием электродвижущей силы, тем больше будет ток. Иными словами, чем больше в проводнике свободных зарядов, чем они подвижнее, тем меньше сопротивление этого проводника. В электронных усилителях роль такого проводника с меняющимся сопротивлением выполняет сам усилительный прибор — электронная лампа или транзистор.
Слабый усиливаемый сигнал подводится к лампе или транзистору и управляет имеющейся там своего рода «заслонкой», которая увеличивает или уменьшает количество свободных зарядов, создающих электрический ток, то есть фактически меняет сопротивление приборов (Р-76;3,4). Мы начнем с того, что посмотрим, как работает такая «заслонка» в транзисторе, как слабый сигнал меняет сопротивление этого усилительного прибора, меняет ток в его цепи. Но до этого нам еще предстоит провести кое-какую подготовительную работу. В частности, познакомиться с некоторыми процессами в полупроводниках.
Т-127. Германий и кремний — химические элементы углеродной группы, атомы которых образуют алмазоподобную кристаллическую структуру.
Как уже говорилось (Т-18), из всех электронных орбит атома нас прежде всего интересует внешняя, на которой может находиться до восьми электронов. Напомним, что фактически у каждого электрона своя собственная орбита и правильнее говорить не об одной внешней орбите, а о внешнем электронном слое, в котором может быть до восьми орбит. Но в соответствии с Т-8 мы идем на сильное упрощение и считаем, что все электроны того или иного электронного слоя бегают по одной общей дорожке. Этот особый интерес к внешней орбите имеет несколько причин. Во-первых, именно внешние электроны могут уходить из атома, свободно блуждать в межатомном пространстве, при случае включаясь в электрический ток. Во-вторых, именно внешние электронные орбиты участвуют в «сшивании» атомов, в создании молекул. И наконец, на внешних электронных орбитах происходят некоторые события, в результате которых и появляются полупроводниковые усилительные приборы — транзисторы.
Итак, на внешней орбите атома может быть до восьми электронов.
И вот что очень важно: атом всегда стремится к этой восьмерке, к тому, чтобы его внешняя орбита была заселена, чтобы число электронов в ней было доведено до возможного разрешенного максимума. И если на внешней орбите меньше восьми электронов, то атом при первом же удобном случае стремится притянуть к себе чужой электрон. Причем обязательно вместе с чужим атомом. (Еще раз напоминаем: чтобы правильно понять выражения «сшивание атомов», «атом стремится», «электроны бегают» и другие подобные, необходимо ознакомиться с разделом Т-8.)
Но зачем же, спросите вы, тащить к себе на орбиту электрон вместе с атомом, когда вокруг бегают свободные электроны? А дело в том, что атом в целом — нейтральная система, суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Вся эта система точно подогнана, крепко связана электрическими силами и ни на какие лишние детали не рассчитана. В большинстве случаев просто нет у атома тех сил, которые могли бы удержать на внешней орбите лишний электрон. И, попав на эту орбиту, лишний электрон очень быстро слетает с нее (Р-78;1), несмотря на все «желание» атома иметь восьмерку, иметь заполненную внешнюю орбиту (не забывайте о Т-8).
Другое дело, если место на внешней орбите займет электрон, который одновременно вращается по своей собственной орбите в своем собственном атоме. В этом случае возникнет некая объединенная орбита, она проходит через оба атома и крепко стягивает, связывает их друг с другом (Р-78;2). Появление лишнего электрона на орбите теперь уже не нарушит электрического равновесия, не встретит какого-либо противодействия. Создание объединенных орбит — это основное средство сшивания атомов в молекулы и один из важных способов объединения молекул в сложные химические соединения.
Среди всех известных типов атомов совершенно особое место занимает углерод. Достаточно сказать, что изучением углеродных соединений занимается самый большой раздел химии — органическая химия. И число таких соединений исчисляется сотнями тысяч, составляет большую часть всех известных химических соединений.
Р-78
Многообразие устойчивых соединений углерода связано с тем, что у него на внешней орбите — четыре электрона и четыре свободных места, которые нужно заполнить для получения восьмерки (Р-78;3). Благодаря такой своеобразной симметрии на основе углерода рождаются изумительные архитектурные шедевры, к числу которых относятся и все молекулы живой природы. Самое прочное, самое устойчивое углеродное сооружение — кристалл алмаза. Здесь каждый атом углерода отдает четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них, по одному от каждого соседнего атома. И тот электрон, который получает внешняя орбита, и тот, что она отдает, становятся общими для обоих атомов — отдающего и получающего. Поэтому на внешней орбите каждого атома вращается заветная восьмерка — четыре своих электрона и четыре соседних. Для простоты на Р-78;4 алмазоподобная структура показана на примере некоторого условного атома углеродного семейства, у которого одна только внешняя орбита с четырьмя электронами и четыре протона в ядре.
Существуют и другие химические элементы с четырьмя электронами на внешней орбите. К их числу относятся полупроводники германий и кремний (Р-78;3), атомы которых устанавливают такие же связи, как углерод в алмазе (четыре даю, четыре получаю), и образуют алмазоподобную кристаллическую структуру.
Т-128. Германий и кремний — полупроводники, в которых имеются свободные электроны и свободные положительные заряды (дырки). Электрические свойства того или иного материала часто оценивают так: вырезают из этого материала кубик со стороной 1 см и измеряют его электрическое сопротивление (Р-77; 1).
Р-77
Эту величину называют удельным сопротивлением (С-3, Т-35), единица его измерения — Ом/см (здесь отражено то, что сторона кубика 1 см). Удельное сопротивление нихрома, одного из самых скверных проводников, — 0,00011 Ом/см (серебра — почти в сто раз меньше). А удельное сопротивление бумаги, одного из самых скверных изоляторов, — примерно 100 000 000 Ом/см (фарфора — в миллион раз больше). Вещества, которые находятся в промежутке между этими самыми сопротивляющимися проводниками и самыми проводящими изоляторами, называют полупроводниками, хотя с таким же успехом их можно было бы называть и полуизоляторами.
Кристаллы германия и кремния тоже относятся к числу полупроводников: удельное сопротивление первого — примерно 50 Ом/см, второго — 1000000 Ом/см. При температуре абсолютного нуля (—273,2 °C) германий и кремний — идеальные изоляторы. Но как только температура несколько повышается, тут же из-за тепловых колебаний атомов с некоторых внешних орбит выскакивают электроны и уходят в межатомное пространство. Атомов, не сумевших удержать на месте свои электроны, относительно немного, иначе вместо полупроводника мы имели бы просто проводник. В германии, например, при комнатной температуре появляется лишь один свободный электрон на миллиард атомов, в кремнии свободных электронов во много раз меньше.
Под действием электрического напряжения свободные электроны, блуждающие в межатомном пространстве, сразу же включаются в электрический ток, упорядоченно смещаются от «минуса» к «плюсу». Как принято говорить, свободные электроны создают n-проводимость (n — первая буква слова negativus — отрицательный; этим словом подчеркивается, что ток создают свободные отрицательные заряды, электроны).